Fiziksel özellikler

Dökümle şekillendirilen seramiklerin yapımında kullanılacak olan kaolenlerin sahip olması gereken fiziksel özellikleri üç başlık altında toplayabiliriz (Tanışan ve Mete, 1986; Malayoğlu ve Akar, 2000). Bunlar;

I. Döküm öncesi fiziksel özellikler

II. Döküm sırasındaki fiziksel özellikleri (Reolojik özellikleri) III. Döküm sonrası fiziksel özellikler

I. Döküm öncesi fiziksel özellikler i. Tane boyut dağılımı

Seramikte kullanılan killerde su emme, pişme rengi, kuruma ve pişmede büzülme miktarı, camlaşma sıcaklığı aralığı, ham ve pişme mukavemetleri tane şekli ve boyutuna göre değişir. Dökümde kullanılacak kaolenlerin sahip olması gereken boyut dağılımı mümkün mertebe;

¾ Tamamı – 63 mikron,

¾ % 50-70’i 2 mikrondan daha ince taneli olmalıdır. Tane boyutu inceldikçe paketlenme yoğunluğu daha sağlıklı olacaktır.

Kaolenlerin ham halde pişme rengi beyaz ya da beyaza çok yakın olmalıdır. Aksi takdirde bu kaolen içerisinde bazı safsızlıkların (TiO2 ve Fe2O2 gibi) olması gereken sınırdan daha fazla olduğu anlaşılır (Tanışan ve Mete, 1986).

ii. Plastisite (Plastik akış hali)

Kil ve kaolenin plastisite özelliği, taneciklerinin ince levhacıklar şeklinde ve tabakalı yapıda olmalarından kaynaklanır. Tane şekli, boyutu, yüzey alanı, tabakaları oluşturan iyonların dizilimi, tabakalar arasında bulunan değişebilir katyonlar, mineralojik bileşim ve organik madde içeriğinin yanı sıra taneciklerin sahip olduğu yüzey ve kenar yüklerinin büyüklüğüne göre değişen bu özellik, kil ve kaolen taneciklerinin su içerisindeki davranışını belirler (Tanışan ve Mete, 1986; Malayoğlu ve Akar, 2000; Müdüroğlu, 1999).

Killerin kaolenlerden türediği ve tane boyutu ile şekillerinin kaolenlerde nazaran farklı olduğu daha önceki bölümlerde (Bölüm 1 ve 2’de) belirtilmişti. Kil ve kaolenlerin tabakalarını oluşturan iyonların diziliminden dolayı taneciklerin sahip olduğu yüzey ve kenar yükleri (zeta potansiyelleri, ζ) pH ile değişiklik gösterir. Şekil 6.2 de bu değişimin nasıl olduğu görülmektedir (Johnson ve diğ., 1998 ve 2000).

Şekil 6.2 : Kil ve Kaolen Taneciklerinin pH’ya Bağlı Olarak Değişen Kenar ve Yüzey Yükleri (Johnson ve diğ., 1998 ve 2000).

Yüksek katı içeriğiyle oluşturulan seramik çamurlarının istenilen akış halini alabilmesi için taneciklerin sahip olduğu yükler, sisteme ilave edilen elektrolitler yardımıyla (pH’ın değişmesi sonucu) değiştirilir ve genelde bütün tanelerin (-) yük kazanmaları sağlanır (Johnson ve diğ., 1998 ve 2000). (-) yük kazanmış olan bütün bu taneler birbirlerini itecekleri için dispersiyonun oluşmasını sağlarlar.

Kil yada kaolen taneciklerinin su ile yapılan yüksek katı içerikli çamurlarının plastik bir akış hali alabilmeleri ayrıca, tabakalı yapıda olan bu taneciklerin arasındaki bazı

iyonların su iyonlarıyla yer değiştirmesi neticesinde oluşur. Tabakaların arasına giren su iyonları, taneciklerin birbiri üzerinden kaymasına ve verilen şekli (çamurun karıştırılması esnasında) almasına neden olur. Nasıl ki ıslak olan iki cam birbiri üzerinde kayarsa kil ya da kaolen taneleri de su içindeki süspansiyonlarında birbirleri üzerinden böyle kayarlar. Bu nedenle oluşan bu kayma işlemi kil ve kaolenlerinin su içerisinde plastik bir akış almasına neden olur (Tanışan ve Mete, 1986; Müdüroğlu, 1999).

Ayrıca su içerisinde plastik akış hali kazanan kil ve kaolen çamurlarının alçı kalıplara dökümü ve bu kalıpların çamur bünyesindeki suyu emmeleri sonucu oluşan plastik hale gelen yarı nemli bünye, kurutulduktan sonra mukavemet kazanır. Seramikte bu duruma ham mukavemet ya da bir başka deyişle kuru bağlama dayanımı denir. Bu durumu açıklayan en güzel örnek yine ıslak olan iki camın davranışıdır. Islak olan bu iki camı birbirinden ayırmak ne kadar güç ise yarı nemli hale gelen plastik haldeki bu bünyeyi oluşturan taneler de kuruma süresince tabakalarının arasına giren suyu tamamen kaybetmemiş olacağı veya suyun buharlaşması süresinde birbirleriyle daha çok kaynaşacağı için bünye mukavemet kazanır.

Ancak kaolenler tabakalarının arasına aldıkları suyu alçı kalıplara verirken çok fazla direnmezler ve çok daha az nemli halde bünye oluştururlar. Zira oluşan bu bünyenin kırılma mukavemeti de az olur. Tane şekli, boyutu ve taneciklerin bünye içindeki paketlenmeleriyle ilişkili olan bu özellik kaolenlerden daha fazla plastik olan killerde farklılıklar gösterir. Kaolenlerden daha küçük taneli ve köşelerinden kırılmış olan bu killerin plastisiteleri ve mukavemetleri yukarıda açıklanmaya çalışılan nedenlerden dolayı kaolenlere nazaran daha yüksektir.

Ayrıca seramik çamurlarında kullanılacak su oranı kritiktir. Çünkü gereğinden fazla su, alçı kalıpların ömrünü kısaltır ve bünyenin pişmesi sırasında istenmeyen pişme hatalarına yol açar. Bu nedenden dolayı seramikteki anlamıyla plastisite aynı zamanda, az miktar suda çok fazla katı malzemenin uygun plastik akışı sağlayabilmesidir. Yani bir kil ya da kaolen ne kadar az suda olması gereken akışkanlığa ulaşıyorlarsa o kadar plastiktir (Tanışan ve Mete, 1986; Müdüroğlu, 1999).

iii. Döküme elverişlilik (Akıcılık testi)

Kaolenlerin döküm yoluyla şekillendirilmesi gereken saniter malzemelerin ya da benzeri diğer malzemelerin üretiminde kullanılabilmeleri için belkide en başta gelen zorunluluk döküme elverişli olup olmamalarıdır. Bazı kaolenlerin yada öğütülmüş

Döküme elverişlilik akıcılık testi ile anlaşılır. Bunun için en basit yöntem, nemi bilinen ya da tamamen kurutulmuş bir kaolen numunesinden belirli bir miktar alınarak yine daha önceden miktarı belirlenmiş olan su içerine yavaşça ve karıştırarak yedirilir. Su – kaolen karışımı olan bu çamurdaki kaolen suya tamamen doyduktan sonra Na2SiO3 yada benzeri bir elektrolit yardımıyla yoğunlaşmış bu çamura tekrar akışkanlık kazandırılır. Eğer çamur akışkanlık kazanırsa bu kaolen döküme elverişlidir denebilir. Ancak tam olarak döküme elverişli olabilmesi için su içindeki katı konsantrasyonun %60 lardan daha fazla olması gerekir. Elektrolit ilavesiyle bu değere yaklaşılır yada geçilirse o kaolen döküme elverişli olarak kabul edilir (Tanışan ve Mete, 1986).

II. Döküm sırasındaki fiziksel özellikleri (Reolojik özellikleri)

Akışkanların hareketini ortaya koyan yasalar (Newton yasası) kil-kaolen süspansiyonlarının (dolayısıyla seramik çamurlarının) akış karakteristiklerinin tanımlanmasında farklılık gösterirler. Newton kanunlarının geçerli olduğu koşullarda viskozite eşitlikleri için kullanılan sabitler ve akışkanlık tanımlamaları kil - kaolen süspansiyonlarının viskozite eşitliklerinde kullanılmamaktadır (Van Olphen, 1977; Worral, 1982a ve 1982b; Malayoğlu ve Akar, 2000). Kil-kaolen süspansiyonlarının akış hareketlerinde kil ya da kaolenin yapısı, oluşturulan çamurun su oranı gibi parametrelere bağlı olarak ifade edilen akış eşitlikleri ve viskozite sabitleri söz konusudur. Newton yasasındaki eşitliklerden farklı olan bu viskozite değerleri; görünür vizkozite olarak tanımlanmaktadır (Worral, 1982a ve 1982b).

Üretilecek malzeme eğer döküm yoluyla şekillendirilerek pişirilen saniter türü bir seramik malzeme ise bu malzemenin kolay şekil alabilmesi için, hazırlanan reçetedeki katı malzemeler (veya bireysel olarak kil yada kaolen) belirli bir miktar su içerisinde Na2SiO3 veya Na2CO3 türü elektrolitlerin de yardımıyla alçı kalıplara dökülebilecek bir çamur, yani plastik hale haline getirilir. Dökümü yapılacak kaolen çamurunun görünür viskozitesinin maksimum 500 mPa.s olması gerekir (Acarsoy, 1985; ECC International, 2002).

Uygulamada istenen son şekle göre daha sonra, şekillendirme aşaması için çamur özel şekilli ve poroz yapıdaki alçı kalıplara dökülür ve bünyesindeki su alçı kalıplar vasıtasıyla emilerek bünyeden uzaklaştırılır. Yeterli süre sonunda nihai şeklini alarak yarı nemli halde alçı kalıplardan çıkarılan malzeme bu aşamadan sonra plastikliği sağlamak için katılan maddelerin de bünyeden tamamen atılarak yoğunlaşması ve sinterleşmesi için pişirilir.

i. Döküm konsantrasyonu (P.K.O) ve elektrolit miktarının saptanması

Döküm konsantrasyonunu veya diğer bir deyişle maksimum katı konsantrasyonunu elektrolit ile miktarını saptamak amacı ile gerçekleştirilen işlemler kısaca şöyle sıralanabilir (Tanışan ve Mete, 1986; Acarsoy, 1985).

¾ Önce kaolen numunesi 110°C taki etüvde 24 saat boyunca kurutulur ve ardından kurutulmuş olan bu numuneden dörtleme yoluyla alınan bir miktar numune %65-72 katı içerecek şekilde hesaplanan suyun içerisine oda sıcaklığında (20-24°C ta) yavaş yavaş yedirilerek, mikserde akıcı bir çamur haline getirilinceye kadar 0.2 ml’lik elektrolit ilaveleriyle birlikte 700 d/d da karıştırılır.

¾ Bütün bu işlemler süresince harcanan elektrolit miktarı ml cinsinden kaydedilerek çamurun akışkanlık değerinin değişimi gözlenir.

¾ Katı malzemenin tamamı, hesaplanan suyun içerisine yedirildikten sonra karıştırıcı mikserin hızı 850 d/d ya çıkarılır ve 30 dakika boyunca hiçbir elektrolit ilavesi yapılmadan karıştırma işlemine devam edilir.

¾ Süre sonunda viskozitesi ölçülmeye müsait hale gelmiş olan bu akıcı çamur 30 dk boyunca dinlenmeye alınır ve ardından 5’er dk’lık tekrar karıştırma sonrasında viskozite ölçümlerine geçilir.

¾ 0.2 ml’lik elektrolit ilavelerinin yapıldığı 5 dakikalık karıştırma işlemleri boyunca viskozitelerindeki düşüşler gözlenir ve bütün ölçümler titizlikle kaydedilir.

¾ Eğer önceden başlangıçta belirlenen katı konsantrasyonunda viskozite istenilen 500 mPa.s noktasına düşürülemiyor veya bu noktaya geldikten sonra olması gerekenden daha fazla tiksotropik oluyorsa bu durumda sisteme 5’er ml’lik su ilaveleri yapılarak aynı işlemler tekrar edilir.

¾ Viskozitenin istenilen 500 mPa.s noktasına gelişinden sonra elektrolit ilavesiyle yeniden yükselişe geçtiği noktada artık elektrolit ilavesi yapılmaz ve testlere son verilerek bütün bu işlemler boyunca harcanan katı malzeme, su ve elektrolit miktarları ayrı ayrı toplanarak o kaolenin sahip olduğu döküm konsantrasyonu ve elektrolit ihtiyacı belirlenir. Elektrolit ihtiyacı, “mg/100 g katı malzeme” olarak ifade edilir.

Şekil 6.3 : Viskozite ile Elektrolit Miktarı Arasındaki İlişki (Eygi, 2005).

ii. Tiksotropi ve Yaşlanma

Maksimum döküm konsantrasyonunda, optimum elektrolit miktarıyla hazırlanan döküm çamurlarının tiksotropi ve yaşlanma değerlerinin önceden bilinmesi gerekir. Tiksotropi, viskozitesi 500 mPa.s getirilmiş çamurun bu andan itibaren 5 dakika süresince (veya biraz daha uzun yada kısa süre) dinlendirilmesi sonrasında ölçülen 2.ci ölçümün ilk ölçüm değeri olan 500 mPa.s’e göre farkıdır. Tiksotropinin maksimum +500 mPa.s olması istenir. Yani hazırlanan çamurun viskozitesi tiksotropi ile birlikte maksimum 1000 mPa.s olması gerekir. Aksi takdirde döküm için olması gereken şart sağlanamamış olur. Elektrolit katkısıyla tiksotropi değişmiyorsa katı konsantrasyonunu su ile düşürmek gerekir.

Yaşlanma ise, viskozitesi olması gereken seviyeye (500 mPa.s) getirilmiş olan çamurun ilk viskozite değeri ile birkaç gün ya da bazı hallerde birkaç hafta sonrasındaki viskozite değeri arasındaki farktır. Yaşlanması gözlenecek olan çamurlar kapaklı cam kavanozlara konulur ve 25-35°C sıcaklığındaki su banyosunda belirlenen süre yada süreler boyunca bekletilir. Genelde bekleyen çamurun viskozitesi gün geçtikçe artar. Bunun nedeni çamuru oluşturan kil - kaolen yada diğer tanelerin zamanla kendi aralarında etkileşmesi sonucu yahut serbest çökme durumunun oluşmasıdır. Tanelerin sahip olduğu yük nedeniyle zaman içerisinde bu taneler birbirlerini tahrik ederek farklı yönlerde yönlenmelerine sebep olacaktır. Bu yönlenmeler zincirleme olarak gelişeceği için çamurun viskozitesi değişecektir

Yaşlanma değişiminin gözlenmesinin amacı, çamur akışkanlığının muhtemel bir azalışında elektrolit ile tekrar olması gereken seviyeye getirilebilirliğini anlamak içindir. Çamurun belirlenen süre sonrasında artan viskozitesi nedeniyle veya elektrolit kabul etmemesi sonucu yeterli akışkanlığa getirilememesi durumunda sisteme su ilavesi yapılarak katı konsantrasyonunu düşürmek kaçınılmaz olacaktır. Elektrolit türü ve miktarı, çamuru oluşturan tanelerin de özellikleriyle birleşerek tiksotropi ve yaşlanma değerini değiştirebilir (Ryan and Radford, 1987; Malayoğlu ve Akar, 2000). Çok tiksotropik çamurlar alçı kalıplara dökülme sırasında zor akmakta ve kalıplardan çıkan malzemenin kalıplara yapışmasına neden olmaktadır. Hiç tiksotropik olmayan çamurlar da kalıplarda çok zor kalınlık almakta ve döküm hızını düşürmektedir. Bu nedenden dolayı tiksotropinin varlığı az da olsa gereklidir. Döküm çamurlarında viskozite ve tiksotropinin özelliklerine bağlı olarak ortaya çıkan döküm hataları ile ilgili değerlendirmeler Çizelge 6.1 de verilmektedir.

Çizelge 6.1 : Akışkanlık Karakteristiklerinin Döküm ile İlişkisi (Ryan and Radford, 1987; Malayoğlu ve Akar, 2000).

Akış Karakteristiği Döküm hataları

Akışkanlık çok yüksek Düşük döküm verimi _{Çatlama-sarmalama} Akışkanlık çok düşük _{Sıkışma-yapışma} Kötü akışkanlık

Tiksotropi çok yüksek _{Sarkma-gevşeme- yavaş kuruma} Kötü akıcılık

Tiksotropi çok düşük

Düşük döküm verimi Zor şekil alma Çatlama-sarmalama Kalıptan çıkan malzemede kırılma Ayrıca kritik su oranında uygun bir akışın sağlanması (viskozite ve tiksotropinin istenilen düzeylerde olmasını sağlamak) için yapılması gereken müdahaleler Çizelge 6.2 de açıklanmaya çalışılmıştır (Ryan and Radford, 1987; ECC International, 2002).

iii. Döküm hızı (Kalınlık alma)

Döküm hızı; alçı kalıplara dökülen çamurun kalıplarda aldığı et kalınlığının zamana bağlı olarak değişimidir. Çamur kalıplara döküldükten sonra hızla kalıplar tarafından suyu emilir ve oluşacak bünye belirli bir hızda et kalınlığı alır (Tanışan ve Mete, 1986).

Çizelge 6.2 : Kritik Su Oranında Uygun Bir Akışın Sağlanması için Yapılması Gereken Işlemler (Ryan and Radford, 1987; ECC International, 2002). Viskozite Tiksotropi Elektrolit Miktarı _{(Kil yada Kaolen)} Katı miktarı

Çok yüksek Artırılmalı -

Yok - Azaltılmalı

Çok yüksek

Çok düşük Azaltılmalı Azaltılmalı Çok yüksek Artırılmalı Artırılmalı

Yok - - İstenilen düzeyde

Çok düşük Azaltılmalı Azaltılmalı Çok yüksek Artırılmalı Artırılmalı

Yok - Artırılmalı

Çok düşük

Çok düşük Azaltılmalı - Döküm hızı tayini için fincan şeklindeki poroz yapılı özel alçı kalıplar kullanılır. Yan yana dizilen bu kalıplara dökülen çamurlar belirli süre aralıklarında (örneğin 3’er dakika arayla) tekrar boşaltılır ve o süreye kadar çamurun kalıplarda ne kadar et kalınlığı aldığı ölçülür. Kalınlık ölçme işlemi, kalıp içinde kalan çamurun iyice kuruyup, fincan şeklinde bünye haline gelmesini takiben bir kumpas yardımıyla yapılır. Kalınlık her yerde aynı olmayacağı için ölçülen değerlerin aritmetik ortalaması alınır. Farklı süreler için ayrı ayrı kalıplara dökülüp çıkarılan bünyelerin ölçülen kalınlıkları daha sonra mm2_{/dk cinsinden grafiğe geçilir ve çizilen doğrunun} eğimi (tan α) döküm hızını verir. Bu eğim ne kadar büyükse kalınlık alma o derece hızlıdır. Bu da, ham seramik bünyelerin alçı kalıptan çıkma süresinin kısalması ve birim zamanda daha fazla üretim yapılabilmesi demektir.

Genel olarak, kaolenin döküm hızı plastik özellikteki killere nazaran yaklaşık 2 kat daha fazladır.

III. Döküm sonrası fiziksel özellikler

i. Kuruma ve pişme sonucu oluşan küçülmeler

Saniter malzemeler alçı kalıplardan çıktıktan sonra kurutma ve pişme neticesi belirli bir oranlarda küçülürler. Bu oranlar reçetede kullanılan feldspat, kil ve kaolenin yanı sıra döküm çamurunun su içeriğine bağlı olarak değişiklik gösterir. Feldspatlardan kaynaklanan küçülmeler bünyenin pişmesi sırasında alkalilerin erimesi neticesinde oluşur. Kil ve kaolenler ise yine bünyenin pişmesi sırasında kristal sularını kaybederlerken küçülmeye neden olurlar. Kil ve kaolenlerden kaynaklanan küçülmeler kıyaslanacak olunursa, ham halde killerin kaolenlerden daha fazla küçüldükleri söylenebilir. Bunun nedeni, kil taneciklerinin tabakaları arasında hapsettiği su miktarının kaolen taneciklerinden daha fazla olmasıdır. Pişme sonrası,

kil ve kaolenler bireysel olarak hemen hemen aynı oranlarda küçülürler (Ryan and Radford, 1987; Tanışan ve Mete, 1986).

Küçülme değerleri belirlenecek olan bir kil veya kaolen, alçı kalıpta şekillendirilip yeri nemli bir bünye haline getirildikten sonra üzerine, aralarında 100 mm’lik mesafe bulunan iki işaret konulur. Bünye, etüvde 110ºC’de bir gün boyunca kurutulduktan sonra ve pişirildikten sonra işaretli noktalar arası mesafe bir kumpas vasıtasıyla ölçülür. Bünyede kurutma öncesi duruma göre meydana gelen boyut değişimi kuru küçülme, pişme öncesi duruma göre meydana gelen küçülme ise pişme küçülmesi olarak adlandırılır.

ii. Kuru dayanım (Kuru bağlama dayanımı, K.B.D)

Reçetenin oluşturulması sırasında kil ve kaolen miktarının hangi oranda kullanılacağını belirleyen en önemli parametrelerden biri de kuru dayanım değeridir. Genel olarak killerin kuru dayanımı kaolenlerden daha yüksektir.

Kuru dayanımın belirlenmesi için, kil veya kaolen çamurları yine bu işlem için özel olarak boyutlandırılmış alçı kalıplara dökülerek şekillendirilir. 12 saatlik süre sonunda kalıplardan yarı nemli olarak alınan ham bünyeler etüvde kurutulduktan sonra bir kırma cihazı vasıtasıyla kırma işlemine tabi tutularak kuru dayanım değerleri belirlenir (Ryan and Radford, 1987).

6.3 Seramik Üretimi Açısından Kaolen-Polielektrolit Etkileşimlerinin